315_p283_b10_1994

начинает увеличиваться за счет того, что при таких частотах электроны не успевают набрать скорость за время полупериода, что снижает ударную ионизацию.

2. Зависимость пробивного напряжения от давления и расстояния между электродами

U

P

Зависимость пробивного напряжения от давления.

При малых давлениях расстояние между частицами достаточно велики, следовательно, мала вероятность столкновения, следовательно, мало развита ударная ионизация.

При некоторой величине давления начинается рост пробивного напряжения, так как расстояние между молекулами уменьшаются, соответственно уменьшается длина свободного пробега заряженной частицы и снижается вероятность процессов ударной ионизации за счет малой величины энергии набираемой свободной частицей за время свободного пробега.

Электрическая прочность снижается при уменьшении расстояния.

Eпр

h

Зависимость электрической прочности от расстояния между электродами

71

U

Ph

Закон Пашена

4.2. Пробой жидких диэлектриков

Механизм пробоя жидких диэлектриков определяется степенью их очистки, при это по степени очистки жидкие диэлектрики делятся на 3 группы:

1.предельно чистые жидкие диэлектрики;

2.очищенные, но не дегазированные жидкие диэлектрики;

3.жидкие диэлектрики технической очистки.

4.2.1. Пробой предельно чистых жидких диэлектриков

Пробой происходит в связи с электронной теорией пробоя. Процесс разряда напоминает все этапы стримерного разряда, все зависимости электронной прочности от толщины, температуры, химического состава носят такой же характер как у газов. Вольтамперная характеристика в области 3 такая же, как и у газов.

•Автоэлектронная эмиссия из катода.

•Процесс ударной ионизации.

При увеличении напряженности электрического поля до значений области 3 вольтамперной характеристики, кроме увеличения концентрации заряженных частиц, начинается холодная эмиссия электродов из катода, так как напряженность электрического поля в этой области весьма велики. При дальнейшем увеличении напряженности электрического поля электроны производят ударную ионизацию по типу распределению электронной лавины и образует объемный заряд, который искажает электрическое поле, уменьшая его у катода. В свою очередь это усилие вызывает увеличение эмиссии у катода, соответственно увеличивается число ионов, напряженность электрического поля у катода и ток, протекающий между электродами. При некоторой напряженности электрического поля, когда

72

поле настолько искажено, что вызывает лавинообразный процесс эмиссии, происходит пробой.

При значении Eср1 в соответствии с уравнением (4) будет протекать ток катода jk, который вызовет образование объемного заряда и приведет к увеличению напряженности на ∆Ek в соответствии с выражением (3) и в соответствии с выражением (4) вызовет уменьшение тока до jk2, но дальнейшее увеличение тока не произойдет, так как требуется увеличение Eср. пробой произойдет при некотором Eср2, которое вызовет протекание тока jk2 (автоэлектронная эмиссия). Протекание этого тока в соответствии с выражением (3) вызовет увеличение напряженности на ∆Ek2 и соответственно приведет к увеличению тока до jk4. Дальнейший рост тока не требует увеличения Eср, так как рост тока не ограничен эмиссией электронов из катода и, таким образом пробивное напряжение определяется напряженностью внешнего поля с соответственно напряженностью электрического поля,

4.2.2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки

Мостиковая теория

Мостиковая теория описывает механизм пробоя жидких диэлектриков с механическими примесями.

73

Если εпр >> εж, то при приложения напряжения частички примесей выстраиваются в цепочки вдоль силовых линий.

+ -

Под действием электрического поля шарики поляризуются и приобретают форму эллипса.

β= rEσ2 , где σ - коэффициент поверхностного натяжения примеси. α

иβ - коэффициенты.

Вычислив внутреннюю энергию шара и эллипса Геммонт установил

связь:

Тепловая теория пробоя

Пробой очищенных, но не дегазированных жидкостей.

При достижении температуры кипения водяные шарики выстраиваются в ряд.

Eпр = n αλ (Tкип −T0 )+ ∆λQ ,

где Eпр – величина пробивного напряжения поля;

α– коэффициент, зависящий от свойств диэлектрика;

λ– коэффициент теплоотдачи;

74

Tкип – температура кипения жидкости;

T0 – температура окружающей среды;

∆Q – тепло необходимое для кипения жидкости;

n – коэффициент, зависящий от размеров газовых включений.

4.3. Пробой твердых диэлектриков

Первая стадия – нарушение стационарного режима электропроводности диэлектриков, что приводит к резкому увеличению электрического тока.

Вторая стадия – разрушение твердого диэлектрика. Характер разрушения определяется особенностью процессов протекающих в первой стадии.

В зависимости от этих особенностей различают три вида пробоя:

1.Тепловой;

2.Электрический;

3.Электрохимический.

4.3.1. Тепловой пробой

Тепловой пробой – резкое увеличение проводимости происходит за счет роста температуры внутри диэлектрика. В свою очередь, увеличение температуры может быть вызвано диэлектрическими потерями и такими условиями, при которых количество тепла превышает количество отводимого тепла, таким образом тепловой пробой следует ожидать при повышении температуры окружающей среды, при больших толщинах электрической изоляции, при длительном воздействии электрических полей.

∆P = I2r.

Q = ∆Pt = I 2rt, где t – время.

∆P =U 2 ωC tg δ – с увеличением частоты увеличивается диэлектри-

ческие потери.

Согласно элементарной тепловой теории пробоя

где γ0 – удельная проводимость диэлектрика при t0 окружающей сре-

ды;

75

α – коэффициент, зависящий от свойств диэлектрика; t0 – температура окружающей среды;

t – температура диэлектрика.

Подставим выражение (3.3.2) в выражение (3.3.1):

Q1 =U 2 Sh γ0eα(t−t0 ) ,

Q2 = 2Sλ(t −t0 ),

где S – площадь поперечного сечения диэлектрика, λ - коэффициент теплоотдачи.

Q1 и Q2 – выделяемое и отводимое тепло.

U3>U2>U1 t1 – точка устойчивого равновесия,

t2 – точка неустойчивого равновесия.

Напряжение, при котором достигается неустойчивая точка равновесия (t2) называется пробивным напряжением. Определим его:

76

Данная формула позволяет произвести лишь качественный анализ условия теплового пробоя и получить лишь приближенную оценку. Более точный расчет можно провести, пользуясь теорией Семенова – Фока:

где Uпр – действительное значение пробивное напряжение; f – частота приложенного напряжения (Гц);

TКtgδ – температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь;

tgδн – тангенс диэлектрических потерь при начальной температуре; εн – диэлектрическая проницаемость при начальной температуре; ϕ(с) – табличная функция, приводимая в справочниках;

где h – толщина диэлектрика;

λ1 – теплопроводность металлических электродов; h1 – толщина электродов;

σ – коэффициент теплоотдачи от электродов в окружающую среду. Для расчета изоляционных конструкций часто используют упрощен-

где tраб – максимальная рабочая температура.

С– емкость изоляционной конструкции;

σ– коэффициент теплоотдачи от поверхности данной конст-

рукции в окружающую среду;

S – площадь поверхности данной изоляционной конструкции.

77

Список литературы

Литература основная

1.Тареев В. М. Физика диэлектрических материалов: Учебное пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – c.-320.

2.Борисова М. Э., Койков С. Н. Физика диэлектриков: Учебное пособие. – Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1979. – с.-240.

3.Иванов В. В. Физика диэлектриков: Учебное пособие. – Тверь: Изд-во Твер. гос. ун-та, 2000 – с.-80.

Литература дополнительная

1.Сканави Г. И. Физика диэлектриков (область слабых полей). – М.: Гостехиздат, 1949.

2.Сканави Г. И. Физика диэлектриков (область сильных полей). – М.: Физматгиз, 1958.

3.Санин В. И. Электрические свойства полимеров. – Л.: Химия,

1977.

4.Академический И. Электрическая проводимость жидких диэлектриков. – Л.: Энергия, 1972.

5.Вершинин Ю. Н. Электрический пробой твердых диэлектриков. Основы феноменологической теории и ее техническое применение, приложение. – М.: Наука, 1968.

6.Методические указания к лабораторным работам по курсу «Физика диэлектриков». – Пермь: ПГТУ, 2000.

7.Воробьев Г. А. Диэлектрические свойства электроизоляционных материалов. – Томск: Изд-во Томск ун-та, 1984.

78